Variables « machines »

Les variables « machines » constituent le premier niveau d’éléments de contrôle qui est en interaction directe avec l’opérateur. Ces variables sont donc indépendantes des autres niveaux de variables et elles gouvernent directement ou indirectement ces autres variables de contrôle. Tout d’abord, dans les procédés LCM, il y a les contraintes « machines » et « matérielles » telles que :

- Limites physiques des équipements et du matériel o Pression maximale et/ou débit maximal o Température maximale

o Nombre de cycles maximal (durabilité) - Géométrie de la cavité du moule

o Forme (épaisseur1

, longueur, largeur, courbures, etc.) o Positionnement des ports et des évents

o Fini de surface de la cavité (rugosité) - Matériau du moule

o Diffusivité thermique

o Stabilité géométrique (dilatation thermique) - Isolation du moule

o Niveau d’influence des perturbations externes et internes o Niveau de consommation d’énergie

- Système de chauffage o Échangeur de chaleur o Résistif o Inductif o Micro-ondes o Rayonnement infrarouge

- Architecture et matériau du renfort fibreux

o Nature chimique du renfort fibreux et de son ensimage o Mode de tissage ou de couture du renfort fibreux o Préformage et drapage du stratifié fibreux o Porosité et perméabilité du stratifié fibreux1 - Nature chimique des espèces individuelles injectées

1 _{La forme du moule, la porosité et la perméabilité du renfort fibreux peuvent devenir des contraintes fixes pour}

certains procédés LCM telles que le RTM ou des variables de « procédé » pour le Compression Resin Transfer Molding (CRTM), Resin Transfer Molding light (RTM light), etc.

Il s’agit des éléments qui sont fixés lors de la phase initiale de conception. À cet effet, des choix stratégiques, lors de cette étape de conception du moule, permettront une plus grande fenêtre de faisabilité, un gain substantiel en productivité et des économies à long terme (Rudd 1997). Ensuite viennent les paramètres « machines » pouvant être ajustés durant les mises en forme. En premier lieu, il y a la vitesse ou la pression appliquée aux pistons à « simple action », à « double action », à engrenages ou aux pompes qui peut être commandée directement. Il peut y avoir la pression pneumatique appliquée sur un pot de transfert. Dans le cas particulier du système d’injection utilisé dans le cadre de cette thèse, il est constitué d’une paire de pistons à « double action » montés individuellement sur deux machines d’essais en traction-compression dont le contrôle en position et en vitesse est très précis (débit et volume manipulés). Ces pistons pompent les fluides à partir de réservoirs fermés qui peuvent être mis sous pression. Ce contrôle direct et indépendant des débits volumiques des contenus des deux pistons offre une grande flexibilité et permet à l’opérateur de faire varier en temps réel les rapports d’initiateur, d’inhibiteur, d’accélérateur et/ou d’additifs tels que le styrène. Ainsi, l’utilisateur peut modifier, au besoin, la cinétique de polymérisation graduellement pour compenser l’écart entre les historiques thermiques de la résine à proximité du port d’injection et de celle à l’évent, dans le cas d’un moule RTM chauffé. Ainsi, le temps de gel dans le plan de la pièce peut être uniformisé, ce qui mènera à des temps de cycle plus courts et à l’atténuation des distorsions géométriques dues aux contraintes résiduelles (Blanchard and Rudd 1996; Kim, Kim et al. 2003; Devillard, Laut et al. 2005). Cette variation continue de la réactivité de la résine revient donc à diminuer la durée totale de la phase de cuisson et le délai d’attente entre la fin de l’injection et le début de la gélification. Il faut toutefois rappeler que le moule RTM utilisé dans le cadre de cette thèse n’est pas thermo- régulé car le système de résine sélectionné ne le nécessite pas. De plus, avec ce type de système d’injection à débit imposé, l’opérateur peut baliser la masse finale de la pièce et la vitesse d’avancée du polymère dans la cavité du moule RTM (Ruiz, Achim et al. 2006).

Toujours dans le but d’homogénéiser la gélification de la résine dans le plan de la pièce et de diminuer le temps de cycle, d’autres variables « machines » peuvent également être manipulées. Parmi celles-ci, on retrouve la température du mélange au port d’injection et la distribution de la température dans les parois du moule. À ce titre, la température du mélange au port d’injection peut être rehaussée via les systèmes de régulation thermique des réservoirs, des lignes

d’alimentation et du moule, ce qui n’est pas le cas dans la présente thèse. Les objectifs immédiats visés par cette régulation thermique sont l’abaissement de la viscosité du mélange à sa valeur optimale et l’atténuation du phénomène de refroidissement brusque à l’entrée du moule pour réaliser un remplissage de la préforme et une cuisson de la résine plus rapides (Rudd 1997). En outre, il existe une stratégie complémentaire pour réduire le délai entre les débuts de la réticulation à l’évent et au port d’injection. Il s’agit de faire subir une rampe de chauffage à la résine et à l’initiateur durant l’injection pour intensifier le niveau de réactivité de la dernière portion de résine entrant dans la cavité. En résulte un accroissement potentiel du rendement du procédé LCM employé. Toutefois, il peut être risqué de préchauffer le mélange réactif contenu dans un réservoir d’approvisionnement, surtout si le temps de résidence est long. Cette stratégie peut mener tout droit à un gel prématuré de la résine dans la conduite d’alimentation ou dans le moule. C’est pour cette raison que le chauffage séparé des éléments réactifs, en amont de la tête de mélange, est généralement privilégié dans l’industrie (Rudd 1997).

La régulation thermique des composantes d’un procédé peut être réalisée par divers moyens comme le démontre la vaste gamme de possibilités offertes aux concepteurs de systèmes de mise en forme et présentées dans la littérature scientifique (Johnson, Rudd et al. 1995; Johnson, Rudd et al. 1998; Zhu and Pitchumani 1999; Zhu and Pitchumani 2000; Johnson and Pitchumani 2003; Mawardi and Pitchumani 2003; Johnson and Pitchumani 2006). Tout d’abord, une des techniques conventionnelles les plus fréquemment utilisées est le moule configuré pour fonctionner tel un échangeur de chaleur. Dans ce cas de figure, de nouvelles variables « machines » viennent s’ajouter à la liste déjà existante, en occurrence la température du liquide caloporteur à l’entrée du moule et le débit volumique ou la pression du liquide caloporteur à l’entrée du moule. Bien souvent, ces variables sont employées dans un contrôle de ces réacteurs discontinus de polymérisation que sont les moules LCM. En ajustant individuellement les débits volumiques des alimentations chaude et froide de fluide caloporteur, il est possible de piloter la température du moule LCM dans son ensemble. En contrepartie, à l’aide d’un système de régulation thermique par zone utilisant le principe de l’effet Joule, de l’induction électromagnétique ou des micro- ondes, l’opérateur est en mesure de mieux cibler ses interventions sur la pièce composite en cours de fabrication et ainsi compenser localement les pertes de chaleur à proximité du port d’injection (phénomène de refroidissement brusque). Des gains de productivité non négligeables peuvent en

découler par rapport à un système de chauffage conventionnel, de l’ordre de 35% dans le cas du chauffage par micro-ondes (Rudd 1997).